汽车激光雷达和DMS中的应用
引言
超表面光学技术（元光学）在汽车激光雷达和驾驶员监控系统（DMS）中展现出显著优势，通过单一平面化半导体层实现光的全方面控制（相位、波长、强度和偏振），相较于传统折射和衍射光学元件，提供更高的性能和成本效益。
激光雷达技术
- 系统分类：
- 短程/中程“闪光”激光雷达：采用泛光照明，通过单次激光脉冲成像，数据速率高但功耗大、动态范围低。
- 远程“扫描”激光雷达：通过高功率激光器阵列扫描场景，适用于远距离探测（>200米），但受限于扫描方法。
- 测距方法：
- 飞行时间（ToF）：成本较低，适用于短程和远程系统。
- 调频连续波（FMCW）：性能更高但成本复杂，仅用于远程系统。
- 关键考量：
- 光源：VCSEL（近红外）或EEL（短波红外），前者成本效益高，后者适用于高功率长距离应用。
- 眼安全：近红外（905/940 nm）受功率限制，短波红外（1550 nm）允许更高功率但需InGaAs探测器。
- 可靠性：需满足IATF 16949、AEC-Q100/Q200标准，支持-45°C至150°C工作范围及振动载荷。
元光学在激光雷达中的应用
- 优势：
- 多功能集成：单个超表面元件可替代传统多元件系统（如透镜+DOE），实现准直、聚焦等功能。
- 性能提升：提高光收集效率、对比度，减少噪声，支持更宽的照明（FOI）和视场（FOV）。
- 热稳定性：适应汽车苛刻环境，无需复杂温度补偿设计。
- 规模化生产：基于成熟半导体工艺，确保高重复性和成本效益。
- 具体场景：
- 短程激光雷达：超表面可实现宽FOI、传输模式照明，提升信噪比，适用于盲点检测等周边感知。
- 线/点扫描LiDAR：单元件生成多条线或高均匀光斑，简化系统设计。
- 固态扫描LiDAR：结合可寻址VCSEL阵列和超表面光学，实现无机械部件的固态扫描（如透镜辅助光束转向LABS），降低成本和复杂性。
车内传感：驾驶员监控系统（DMS）
- 功能：监控驾驶员警觉性、面部识别、车厢状态（如后排人员），需在夜间及高环境光条件下运行。
- 技术趋势：
- 红外方案：优于可见光相机，利用车内红外照明实现不可见传感。
- 超表面优势：支持广角FOV、小型化设计，降低系统成本并提高可靠性。
- 市场驱动：欧盟要求2024年新车配备DMS，预计全球效仿，推动红外传感需求。
结论
超表面光学技术通过多功能集成、性能提升和规模化生产优势，为汽车激光雷达和DMS提供革命性解决方案，尤其在短程/中程激光雷达的发射端和车内红外监控系统中具有显著应用价值，助力自动驾驶和智能汽车发展。
